Элемент представляет собой небольшую трубку из нержавеющей стали и подходит как для воды, так и для агрессивных жидкостей и газов.
Отступление (о датчике FS7)
Недавно была опубликована статья про термоанемометрический датчик расхода газа FS7, сегодняшний текст можно назвать её продолжением.
Напомню что FS7 представляет собой миниатюрную керамическую пластинку размером 6.9 на 2.4 мм, на которую нанесены два платиновых термосопротивления (RTD). Одно из них имеет номинальное сопротивление 45 Ом и используется как нагреватель, другое имеет номинальное сопротивление 1200 Ом и служит датчиком температуры. Первый элемент, соответственно, обозначется Pt45, второй — Pt1200.
Датчик помещается в трубу, по которой проходит поток, а элементы Pt45 и Pt1200 включаются в мостовую схему. В отсутствие потока сопротивления нагревателя и датчика температуры не изменяются, мост уравновешен. Однако когда среда начинает двигаться «мимо» датчика, часть тепла нагревателя отдается потоку, т.е. сопротивление нагревателя (элемента Pt45) снижается. При этом сопротивление элемента Pt1200 остается прежним, а значит мост разбалансируется. Сигнал разбаланса зависит от количества отданного потоку тепла, которое в свою очередь зависит от скорости потока.
Впрочем, обо всем этом гораздо подробнее написано в предыдущей статье, сегодня рассмотрим датчик для условий, в которых использование FS7 не рекомендуется.
О датчике Out Of Liquid
Датчики FS7 предназначаются для газов и также подходят для некоторых жидких сред, например для масел. Однако для агрессивных жидких сред, для содержащих воду жидкостей, а также для агрессивных газов предназначен датчик Out Of Liquid.
Out Of Liquid — это тот же термоанемометр, состоящий из двух платиновых RTD с номинальным сопротивлением 50 и 1000 Ом. Элемент Pt50 выполняет роль нагревателя, а элемент Pt1000 — роль датчика температуры среды.
Принципиальное отличие датчика Out Of Liquid заключается в том что термосопротивления не помещаются в среду, как в случае FS7, а припаиваются к внешней стенке трубы, через которую идет поток. Хороший тепловой контакт между термосопротивленями и средой достигается за счет небольшой толщины стенки трубы и за счет конструкции элементов Pt50 и Pt1000. Эти платиновые термосопротивления, во-первых, выполнены по тонкопленочной технологии, а значит имеют небольшой размер (2.3 x 2 мм) и плоскую форму, а во-вторых, нижняя сторона обоих элементов покрыта дополнительным металлическим слоем.
Такие металлизированные термосопротивления используются и отдельно в качестве датчиков температуры. Они востребованы в приложениях, где требуется хороший контакт с поверхностью объекта измерений.
Производству различных платиновых тонкопленочных термосопротивлений посвящена статья Термосопротивления: производственный процесс.
Трубка Out Of Liquid выполнена из нержавейки, её длина составляет 40 мм, внешний диаметр — 4 мм, внутренний диаметр — 3.8 мм. Трубка либо врезается в основную трубу, либо отводится от неё как шунт, тут всё зависит от конечной задачи.
От конечной задачи (габаритов трубы, состава и температуры среды и т.п.) зависит и выбор компонентов для схемы включения датчика. По этой причине производитель не предоставляет подробных руководств по применению Out Of Liquid.
Схема включения Out Of Liquid повторяет схему включения любого другого термоанемометра. Pt50 и Pt1000 выполняют роль нижних плеч измерительного моста, сигнал разбаланса которого подается на усилитель, а оттуда обратно на мост. Таким образом, при наличии потока сигнал обратной связи сообщает нагревателю более высокую температуру и измерительный мост снова уравновешивается. Сигнал на выходе усилителя, как было сказано выше, используется и в качестве выходного сигнала. Величина выходного напряжения нелинейно зависит от скорости потока, проходящего через Out Of Liiquid.
Пример схемы включения:
Пример зависимости выходного напряжения от скорости потока [фото из документации]:
Out Of Liquid имеет четыре вывода, по два на каждое термосопротивление. Элемент Pt50 имеет красные провода, Pt1000 — белые. Легко догадаться что поток должен идти от Pt1000 к Pt50, а не наоборот, иначе тепло от нагревателя будет идти на датчик температуры и влиять на его сопротивление.
К слову, у элемента FS7 нагреватель и датчик температуры располагаются друг под другом, т.е. поток может быть направлен в обе стороны относительно чувствительного элемента.
С помощью датчика Out Of Liquid можно измерять расход от 0 до 3000 мл/мин (?4 м/с). Рабочий температурный диапазон датчика — от -50 до +180°C, время отклика не превышает 300 мсек.
Для знакомства с модулем Out Of Liquid, но не для использования в готовом изделии, доступна отладочная плата.
Помимо схемы включения датчика, на ней расположены цепи управления питанием, потенциометр и две кнопки для подстройки резистора R1 (верхнее плечо измерительного моста), светодиоды для индикации скорости потока, а также контактные площадки, бoльшая часть которых почему-то висит в воздухе.
Нехитрый процесс включения платы показан на видео.
О ценах
Мы продаем датчики Out Of Liquid по розничной цене 24 евро, понимая под розницей количества до 50 штук. При оптовых закупках цена закономерно снижается, например при заказе 100 штук цена элемента составит уже 15 евро. Кстати говоря, официальное наименование датчика Out Of Liquid — непроизносимое P1K0/050.232.2K.C.050.M.U.S.
Пользуясь случаем приведу ссылку на недавно запущенный сайт efo-sensor.ru, посвященный датчикам производства IST-AG и других производителей.
Заключение
В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.
Комментарии (33)
gabirx
04.04.2017 15:00А как повлияет изменение температуры жидкости ?
uuuulala
04.04.2017 15:03При изменении температуры и/или состава жидкости выходное сопротивление, естественно, изменится.
Этот датчик используют в задачах, где изменения характеристик среды либо не значительны, либо могут быть детектированы и учтены при вычислении скорости потока.
safari2012
04.04.2017 17:31Насколько такой датчик расхода лучше (точнее) традиционной крыльчатки с датчиком холла?
То, что на порядок дороже, я уже понял…ArkturTierry
04.04.2017 17:59+1по своему опыту могу сказать, что недостаток крыльчатки -что она контактная. Если в жидкости есть примеси или возможен осадок (например топливо), то крыльчатку нужно дополнительно обслуживать. Плюс не во всех средах можно использовать крыльчатки, особенно если среда агрессивная.
А цена да, ни разу не бюджетный вариант.safari2012
04.04.2017 18:10насчет загрязненности. у меня в аквариуме подключен такой датчик. по расходу жидкости слежу за уровнем заговненности внешнего фильтра. фильтр чищу не реже 1 раз в полгода. за три года датчик не вынимал/ни чистил ни разу.
насчет агрессивности согласен. хотя, если крыльчатку сделать из полипропилена или даже керамики, то агрессивная химия и довольно высокие температуры (особенно для керамики) ей будут пофиг.uuuulala
04.04.2017 18:23А вот кстати сколько будет стоить турбина с керамическими деталями?
Вопрос без подвоха, правда интересно.safari2012
04.04.2017 18:36Не думаю, что дорого. Собственно, в современных аквариумных помпах, как правило, ось крыльчатки делается из керамики. Причем уже довольно давно. Раньше их делали из нержавейки. Возможно, керамическая ось даже дешевле выходит.
uuuulala
04.04.2017 18:19Поддержу ArkturTierry
Не всегда лучше = точнее, чаще «лучше» определяется по совокупности параметров.
Если сравнивать крыльчатку с Out Of Liquid, то последний обладает следующими преимуществами:
- допустима работа с агрессивными жидкостями и газами
- допустима работа с вязкими средами
- допустима работа со средами, вызывающими коррозию
- на месте установки датчика не моздается перепадов давления
- отсутствие подвижных частей
Но если ничего из перечисленного не имеет значения, то выбирают, разумеется, дешевые ультразвуковые и механические датчики.safari2012
04.04.2017 18:48Ничего из перечисленного выше не проблема для мех. устройств. Ведь на заправках те же помпы качают бензин. Значит, просто материалы там подобраны бензостойкие.
С другой стороны, мой датчик улавливает смену показаний расхода жидкости (ну или газа, не принципиально, я пробовал его продувать) за доли секунды. Подозреваю, что датчик на терморезисторах имеет заметную инерцию, хотя не уверен.
Как-то раз читал ветку морских аквариумистов. Там народ использует обычный насос типа грюндфос для морской воды (которая очень агрессивная для металлов). Просто меняют рабочую камеру из стали на акриловую (нарезают бутерброд из нескольких листов и стягивают болтами/склеивают). А насос такой очень мощный и тихий и стоит на порядок дешевле заводского под море.uuuulala
04.04.2017 19:17Ничего из перечисленного выше не проблема для мех. устройств.
Вязкие среды и перепад давления — вполне проблемы. Подвижные части при определенных условиях тоже не желательны.
Ведь на заправках те же помпы качают бензин. Значит, просто материалы там подобраны бензостойкие.
А во многих авто расход топлива измеряют как раз таки термоанемометром (правда по типу FS7, но он тоже не дешевый). Какой смысл обобщать?
С другой стороны, мой датчик улавливает смену показаний расхода жидкости (ну или газа, не принципиально, я пробовал его продувать) за доли секунды. Подозреваю, что датчик на терморезисторах имеет заметную инерцию, хотя не уверен.
Герой статьи — не самый быстрый элемент, т.к. он заточен под задачи где контакт элемента со средой крайне не желателен. Но раз вам не важно жидкость или газ (что странно), то я помяну свой любимый MFS02 с откликом <10 мсек.
А вообще, ну что вы только про механические датчики и аквариумы. Так много датчиков, так много задач :)dgrees
05.04.2017 11:04А во многих авто расход топлива измеряют как раз таки термоанемометром (правда по типу FS7, но он тоже не дешевый)
Расход топлива там по форсункам считается, а вы вероятно имели ввиду ДМРВ — датчик массового расхода воздуха.uuuulala
05.04.2017 11:11Многие ДМРВ действительно построены на тепловых датчиках расхода (Thermal Mass Flow sensor), спасибо за замечание!
Про расход топлива я, возможно, не права. Точно помню что термоанемометры типа FS7 используются некоторыми (в т.ч. отечественными) производителями авто, но наверное всё же для работы с маслом. Таки прошу прощения, ещё раз спасибо
safari2012
05.04.2017 15:13То-то у меня в машине показания расхода всё время врут, теперь я знаю почему :)
Многоуважаемый DIHALT основы электроники объясняет вообще на примере канализации. Мне ближе аквариумистика :)uuuulala
05.04.2017 15:30:)
Ладно, надумаете вместо аквариумов работать с маслом, нефтью или кислотой — заходите)
perfect_genius
04.04.2017 19:04
Эта анимация бесполезная, не так ли? Покажите любому стороннему человеку — он поймёт что здесь происходит?
До неё из текста понял, что измеряют температуру нагревая и представил, что датчик идёт после нагревателя. Таким способом нельзя измерить?
Как нагреватель не нагревает эту трубочку? Или это самое и происходит, жидкость забирает тепло и датчик температуры мерит не жидкость (как в анимации) а эту трубочку?uuuulala
04.04.2017 20:37Эта анимация бесполезная, не так ли? Покажите любому стороннему человеку — он поймёт что здесь происходит?
лол (извините)
А посторонний человек должен понять иллюстрацию к статье о термоанемометрическом датчике потока? Ещё и вне контекста?))
До неё из текста понял, что измеряют температуру нагревая и представил, что датчик идёт после нагревателя. Таким способом нельзя измерить?
Измеряют разницу между температурой среды (сопротивлением датчика) и температурой нагревателя (сопротивлением нагревателя). Нет, нельзя.
Как нагреватель не нагревает эту трубочку? Или это самое и происходит, жидкость забирает тепло и датчик температуры мерит не жидкость (как в анимации) а эту трубочку?
Нагреватель нагревает и стенку трубки, и среду проходящую по трубке. Полагаю что датчик работает как показано на гифке, ибо гифку нарисовал производитель :)perfect_genius
04.04.2017 21:31Вот, не только скорость потока, но и направление. Лучше бы производитель это анимировал =)
uuuulala
04.04.2017 23:00На вашей картинке другой тип теплового датчика потока, тоже интересная штука.
Всего существует два типа тепловых сенсоров — термоанемометрический (как Out Of Liquid) и калориметрический. Первый состоит из двух термосопротивлений (нагреватель + датчик), второй — из четырех (датчик температуры + 2 нагревателя + датчик температуры). Первый представляет собой полумост, второй — целый измерительный мост.
Вот тут, в одной из предыдущих статей, я писала о том как эти типы датчиков используются и комбинируются. Там тоже разноцветные картинки и схемы, только всё по порядку, а не как в нашем с вами диалоге :)
Ещё о конструкциях тепловых датчиков потока можно почитать на нашем свеженьком сайте и, конечно, у производителя.
autobusiness
05.04.2017 08:01-1Я не думаю что точность будет лучше чем 30%
r00tGER
05.04.2017 08:29+1Простите, это исключительно интуитивное умозаключение? Или, есть настолько очевидные доводы, что их можно и не указывать?
safari2012
05.04.2017 15:15терморезистор и резистор — детали копеечные. Непонятно, почему такая цена конская.
uuuulala
05.04.2017 15:38Ну резисторы разные бывают. Пленочные RTD, которые термосопротивления с линейной характеристикой, стоят в розницу 3-4 доллара за самый обычный вариант. Добавляем 20% за металлизированную тыльную сторону и 20% за выводы, которые смотрят не вдоль датчика, а перпендикулярно. Ещё сколько-то за изоляцию выводов.
Умножаем на два.
Добавляем стоимость трубочки и сборки.
Плюс доставка, плюс налоги, плюс на пиво
aslepov78
какова точность? если я пропускаю через датчик 100л воды, и интегрирую показания в течении всего времени — то какая ошибка будет?
uuuulala
На ваш вопрос невозможно ответить — точность измерений будет зависеть от схемы включения датчика, от характеристик среды, от того насколько эти характеристики вариативны, от порядка калибровки и т.д.
Могу только сказать что для номиналов термосопротивлений из которых состоит элемент (50 и 1000 Ом) приводятся с комментарием ±1%.
p.s. любопытно что имеется в виду под «интегрирую показания в течении всего времени»
aslepov78
Вполне четкий вопрос. Если надо детализировать «интегрирую » — то снимаю показания с датчика допустим с частотой 100Гц, скорость протекания — ну возьмите сами. Сопротивления то меня меньше всего интересуют. Я как пользователь хочу понять точность прибора.
uuuulala
Чтобы определить точность прибора нужно понимать как этот прибор устроен и что он измеряет.
А статья-то по факту посвящена двум сопротивлениям :)